1 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
2 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044
激光定向能量沉积（LDED）是受损大型关键构件几何特征修复和性能强化的典型修复技术，但其目前仍面临残余应力、孔洞和裂纹等问题。激光冲击强化（LSP）为解决以上问题提供了新思路。笔者以H13钢粉作为待沉积粉末，采用LDED技术对受损的45钢基体进行修复；然后利用LSP后处理强化LDED修复层，以解决传统LDED修复材料的质量问题。结果表明：随着LDED激光功率增大，H13钢修复层的晶粒逐渐细化，渗碳体溶解，耐磨性提升；LSP后处理会使修复层近表层的晶粒明显细化，显著降低LDED修复试样的摩擦因数，进一步提升其耐磨性。最后，笔者系统揭示了LDED+LSP激光复合再制造工艺诱导的微观组织演化（晶粒细化和渗碳体溶解）及其增强修复层耐磨性的机制。
激光技术 激光定向能量沉积 激光冲击强化 激光复合再制造 微观组织 耐磨性 中国激光
2024, 51(16): 1602202
哈尔滨工业大学可调谐（气体）激光技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080
在激光冲击强化（LSP）技术中，作为冲击载荷的驱动源头和能量来源，激光脉冲参数的不同选取决定着激光吸收机制取向、能量沉积程度乃至等离子爆炸行为规律的差异，进而对冲击载荷形态特征和材料表面强化效果产生重要的决定作用。本文对目前LSP技术中涉及的各类激光参数在激光驱动冲击效应中的作用机理、影响规律，以及在工艺配给上的研究和认知现状进行了综述。针对激光时域结构在决定等离子体膨爆行为和冲击载荷特征中的重要性，以及目前LSP普遍采用调Q激光器高斯时间波形的技术现状展开评述，并指出通过优化激光脉冲时域结构来提升光能向机械能的转换效率，或通过调节激光时域参数来实现精准操控冲击载荷特征具有可能性。
激光技术 激光冲击强化 表面处理 激光诱导冲击波 激光时域结构 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0500004
1 上海市激光技术研究所有限公司，上海 200233
2 上海激光智能制造工程技术研究中心，上海 200233
3 上海科学院，上海 201203
激光冲击强化是一种利用激光束对金属材料表面改性的表面强化技术，具有非接触、可控性强、强化效果突出等特点，在金属表面强化领域得到广泛应用。为更好地了解激光冲击强化技术发展现状和趋势，推动我国在该技术领域的科技研究和创新应用发展，基于Incopat专利数据库，对全球激光冲击强化专利的申请趋势、区域布局、创新主体、研究主题等进行多维度分析。研究发现：激光冲击强化技术正处于发展上升周期，美国、日本是该领域重要的创新主体；中国虽起步较晚，但发展迅速，尤其近几年专利数量逐渐占据主导地位，显示了强大的创新活力，但也存在研究主体集中在高校、科研院所，海外布局薄弱等问题。对此，提出了我国激光冲击强化技术的发展建议。
激光冲击强化 专利分析 专利布局 技术现状 laser shock peening patent analysis patent layout technical status
1 山东理工大学激光高端制造研究中心, 山东 淄博 255000
2 山东理工大学机械工程学院, 山东 淄博 255000
3 山东理工大学材料科学与工程学院, 山东 淄博 255000
借助ABAQUS软件建立了微尺度激光冲击强化(micro-scale laser shock peening, μLSP)过程的有限元模型, 对T2纯铜的μLSP过程进行了数值模拟, 分析了μLSP过程中纯铜的位移、塑性应变和等效应力的动态响应情况以及残余应力的分布规律。结果表明, 冲击波作用到纯铜表面后, 极短时间内便可达到纯铜的动态屈服极限。纯铜表面的位移影响区域直径约为激光光斑的2倍, 并在27 ns时达到位移最大值约0.85 μm。随着冲击波压力的加载, 纯铜产生加工硬化, 塑性应变和等效应力的最大值均出现在加载区域内部的近表层处, 分别约为0.062 MPa和297 MPa。μLSP后纯铜表面激光辐照区域主要表现为残余压应力, 最大值约为199 MPa, 影响深度达40 μm。在激光辐照区域表面边缘存在一定的残余拉应力, 产生“残余应力洞”。同时, μLSP工艺试验结果与数值模拟结果基本一致, 从而验证有限元模型的合理性与可靠性。
微尺度激光冲击强化 数值模拟 有限元分析 塑性变形 残余应力 micro-scale laser shock peening numerical simulation finite element analysis plastic deformation residual stress
1 西安交通大学机械工程学院航空发动机研究所, 陕西 西安 710049
2 空军工程大学航空工程学院等离子体动力学实验室, 陕西 西安 710038
激光冲击强化(LSP)作为一种新型的激光表面处理技术已应用于航空发动机、 机匣等关键部件的强化延寿处理, 确保LSP加工质量的一致性及稳定性对上述航空装备的长寿命服役具有重要意义。 然而, 在高能瞬态LSP过程中, 保护层容易发生烧蚀破损, 极大地限制了LSP的工业应用。 因此, 通过分析激光诱导等离子体光谱信号, 提出了一种基于ReliefF特征权重融合的LSP保护层烧损实时检测方法。 以4 mm厚的7075铝合金为LSP靶材, 以黑胶带为LSP保护层。 首先, 利用长波段范围的Ocean Optics-HR4000光谱仪和高分辨率的Princeton SP2750光谱仪同步采集LSP瞬态过程中产生的等离子体光谱信息; 其次, 根据Princeton SP2750光谱仪采集的高精度光谱信号, 分别选取波长为394.40和396.15 nm的Al Ⅰ谱线以及波长为393.36和396.80 nm的Fe Ⅰ谱线, 提取其峰值强度与Stark展宽特征, 然后结合ReliefF特征重要度筛选出对保护层烧损状态更加敏感的两条Al Ⅰ谱线, 并且定性分析了Al Ⅰ谱线的峰值强度和Stark展宽对保护层烧损状态的敏感程度和瞬态变化规律; 再次, 基于ReliefF算法构造了一种融合多谱线特征信息的特征参数I-FWHM（Intensity-FWHM）, 然后基于特征类间距离, 定量评估了各特征对三类烧损状态的区分能力; 最后, 结合阈值分割法实现了LSP保护层烧损实时检测。 实验结果表明, 峰值强度对于区分正常状态与轻微破损状态的能力很差, 而对于区分轻微破损与完全破损的能力很强; Stark展宽对于区分正常状态与轻微破损状态的能力远优于强度, 而对于区分轻微破损与完全破损的能力相对较弱。 I-FWHM融合了上述单一特征的优点, 能同时较好地区分三类烧损状态, 因此对于LSP过程中保护层烧损状态的实时检测具有更强的抗干扰能力和更高的鲁棒性。
激光冲击强化（LSP） 铝合金 等离子体发射光谱 ReliefF特征融合 实时检测 Laser shock peening(LSP) Aluminium alloy Plasma emission spectroscopy ReliefF feature fusion Real-time detection 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2437
1 宁波大学机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
2 中国科学院宁波材料技术与工程研究所, 浙江 宁波 315201
3 浙江省航空发动机极端制造技术研究重点实验室, 浙江 宁波 315201
镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、机械加工性能好、生物相容性良好等优异性能, 成为潜在新一代可生物降解骨板材料, 但其耐腐蚀性能差, 限制其发展。使用激光冲击强化技术(LSP), 研究其对镁合金表面耐腐蚀性能的影响。采用激光功率密度为1.35 GW/cm2、2.99 GW/cm2和3.92 GW/cm2 进行冲击强化试验, 在3.5%(质量分数)NaCl溶液中, 通过电化学测量技术动电位扫描得到极化曲线, 并通过微观结构探究激光冲击强化对AZ31B镁合金耐腐蚀性能的影响机理。试验结果显示, 随着激光功率密度的提升, 样品的表面硬度也随之提高, 2.99 GW/cm2样品的表面硬度为81.2 HV, 相比原始样品提高了35.8%。XRD图谱显示, 与原始样品相比, 激光冲击处理后的样品衍射峰向高角度方向偏移, 衍射峰强度均降低, 半峰宽增加。2.99 GW/cm2样品的耐腐蚀性能最好, 腐蚀电位为-0.602 41 V, 腐蚀电流密度为1.021 5×10-4 A/cm2, 相比原始样品腐蚀电位提升了50.47%, 腐蚀电流密度降低了42.90%。
激光冲击强化 耐腐蚀性能 影响机理 镁合金 极化曲线 laser shock peening corrosion resistance influence mechanism magnesium alloy polarization curve
1 哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院，广东 深圳 518055
2 广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510320
The double-sided laser shock peening (DSLSP) is proposed to overcome the surface treatment problem related to thin-walled parts with complex surfaces. DSLSP can induce symmetric local deformation on both sides of the workpiece. The symmetric deformation can ensure shape accuracy by forcing local deformation on two sides to eliminate each other. Besides, DSLSP induces compressive residual stress and refined grains on both sides of the workpiece, which contributes to excellent fatigue performance. Recently, DSLSP has attracted great research attention and plays an increasingly critical role in the fatigue life extension of thin-walled components. However, few summaries on DSLSP have been reported in the past several years. For a better understanding of DNLSP, this article summarizes its technical principle, physical mechanism, application, and other aspects, and prospects of its existing problems and development prospects.
激光冲击强化 双面激光冲击 形状控制 疲劳性能 double-sided laser shock peening simulation research shape control fatigue performance
为了改善冷喷涂纯铝涂层表面形貌，结合激光冲击强化技术与冷喷涂技术，使用低压冷喷涂设备，以压缩空气作为介质，在镁合金表面上制备了一层纯铝涂层，研究了冷喷涂纯铝涂层在不同激光冲击次数作用下的表面形貌、粗糙度、物相、残余应力和显微硬度的变化。试验结果表明，激光冲击后涂层表面形貌趋于平整，激光冲击1、2、3次后的表面粗糙度相较于原始涂层分别降低了30.67%、50.96%、58.53%，但粗糙度降幅逐渐下降，残余应力状态由拉应力逐渐转变为压应力，涂层表面显微硬度分别提高了16.22%、27.46%、34.49%，单次的增幅呈现下降趋势。首次激光冲击对涂层表面的作用效果最为明显，后续冲击的作用效果不断衰减，总体作用效果随激光冲击次数的增加而不断提升。
激光技术 激光冲击强化 冷喷涂 纯铝涂层 粗糙度 塑性变形
1 中国航空制造技术研究院先进表面工程技术航空科技重点实验室，北京 100024
2 中国航空制造技术研究院材料应用研究部，北京 100024
激光冲击强化是一种先进的材料表面抗疲劳制造技术，本文采用正交试验方法研究了激光冲击2050铝锂合金表面残余应力分布规律，获得了优化的激光冲击参数，并在此参数下验证了疲劳寿命增益。研究结果表明：激光冲击强化诱导的残余应力与试样的几何特性相关性较强，而激光冲击参数本身搭接率对残余应力的影响大于激光能量、大于冲击次数，最佳工艺参数为激光功率密度5.30 GW·cm-2、搭接率50%、2次冲击。采用此参数冲击后260 MPa和200 MPa应力水平下疲劳寿命分别提高了22%和63%。
激光技术 激光冲击强化 2050铝锂合金 残余应力 疲劳特性 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0114002
1 河南科技大学材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023
2 有色金属新材料与先进加工技术省部共建协同创新中心，河南 洛阳 471023
通过对激光增材制造(LAM)TC4钛合金表面进行激光冲击强化(LSP)，对比研究了LSP处理对LAM-TC4钛合金微观组织、力学性能和断口形貌的影响。LAM-TC4钛合金的原始组织由大量粗大的α板条及一定数量的板条间β相构成。经LSP处理后，表层组织在高能冲击波的作用下，原始粗大的α板条破碎细化，形成了大量位错和形变孪晶，导致晶格畸变。LSP处理使LAM-TC4钛合金的残余应力由残余拉应力转变成残余压应力。LSP处理后LAM-TC4钛合金表面存在的最大残余压应力为－190 MPa，显微硬度提高了16.5%，显微硬度随深度的增加而减小。此外，经LSP处理后，LAM-TC4钛合金的屈服强度和抗拉强度较LSP处理前分别提高了46.3%和32.3%，塑性基本维持不变。LSP处理可使LAM-TC4钛合金获得更好的强度和塑性匹配。
激光技术 激光增材制造 激光冲击强化 钛合金 微观组织 力学性能 断口形貌 中国激光
2022, 49(16): 1602017
